La fosfoibuloquinasa (PRK) ( EC 2.7.1.19) es una enzima fotosintética esencial que cataliza la fosforilación dependiente de ATP de la ribulosa 5-fosfato (RuP) en ribulosa 1,5-bisfosfato (RuBP), ambos intermediarios en el ciclo de Calvin . Su función principal es regenerar RuBP, que es el sustrato inicial y la molécula aceptora de CO 2 del ciclo de Calvin. [1] La PRK pertenece a la familia de enzimas transferasas , específicamente aquellas que transfieren grupos que contienen fósforo ( fosfotransferasas ) a un aceptor de grupo alcohol. Junto con la ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RuBisCo), la fosfoibuloquinasa es exclusiva del ciclo de Calvin. [2] Por lo tanto, la actividad de PRK a menudo determina la tasa metabólica en organismos para los que la fijación de carbono es clave para la supervivencia. [3] Gran parte del trabajo inicial sobre PRK se realizó con extractos de hojas de espinaca en la década de 1950; estudios posteriores de PRK en otros organismos fotosintéticos procariotas y eucariotas se han realizado. La posibilidad de que PRK pudiera existir fue reconocida por primera vez por Weissbach et al. en 1954; por ejemplo, el grupo observó que la fijación de dióxido de carbono en extractos crudos de espinaca se mejoraba con la adición de ATP. [3] [4] La primera purificación de PRK fue realizada por Hurwitz y colegas en 1956. [5] [6] [7]
ATP + Mg 2+ - D-ribulosa 5-fosfato ADP + D-ribulosa 1,5-bisfosfato
Los dos sustratos de la PRK son el ATP y la D-ribulosa 5-fosfato, mientras que sus dos productos son el ADP y la D-ribulosa 1,5-bisfosfato. La actividad de la PRK requiere la presencia de un catión metálico divalente como el Mg 2+ , como se indica en la reacción anterior. [3]
La estructura de la PRK es diferente en procariotas y eucariotas. Las PRK procariotas normalmente existen como octámeros de subunidades de 32 kDa , mientras que las PRK eucariotas son a menudo dímeros de subunidades de 40 kDa. [8] [9] Aún no se han realizado determinaciones estructurales para la PRK eucariota, pero las estructuras de la PRK procariota siguen siendo útiles para racionalizar la regulación y el mecanismo de la PRK. A partir de 2018, solo se han resuelto dos estructuras cristalinas para esta clase de enzimas en Rhodobacter sphaeroides y Methanospirillum hungatei , con los respectivos códigos de acceso PDB 1A7J y 5B3F.
En Rhodobacter sphaeroides , PRK (o RsPRK) existe como un homooctómero con protómeros compuestos de láminas β mixtas de siete cadenas , siete hélices α y un par auxiliar de cadenas β antiparalelas . [10] La subunidad RsPRK exhibe un plegamiento proteico análogo al plegamiento de las quinasas de monofosfato de nucleótido (NMP) . [3] Los estudios de mutagénesis sugieren que Asp 42 o Asp 169 actúan como la base catalítica que desprotona el oxígeno hidroxilo O1 en RuP para el ataque nucleofílico de ATP, mientras que el otro actúa como ligando para un catión metálico como Mg 2+ (lea el mecanismo a continuación para más detalles). [10] Otros residuos presentes en el sitio activo de RsPRK incluyen His 45, Arg 49, Arg 168 y Arg 173, que supuestamente están involucrados en la unión de RuP. [10] (Ver imagen a la derecha).
En la PRK arqueal de Methanospirillum hungatei, la PRK (o MhPRK) existe como un homodímero de dos protómeros , cada uno de los cuales consta de láminas β mixtas de ocho cadenas rodeadas de hélices α y cadenas β, similar a la estructura de la PRK bacteriana de R. sphaeroides (ver el cuadro de información anterior) . [11] Aunque sus estructuras cuaternarias difieren y tienen una baja identidad de secuencia de aminoácidos , la MhPRK y la RsPRK tienen dominios N-terminales estructuralmente similares , así como residuos conservados secuencialmente como His 55, Lys 151 y Arg 154. [11]
La PRK cataliza la fosforilación de RuP en RuBP. Un residuo catalítico en la enzima (es decir, aspartato en RsPRK) desprotona el oxígeno del hidroxilo O1 en RuP y lo activa para el ataque nucleofílico del grupo γ-fosforilo del ATP. [10] A medida que el grupo γ-fosforilo se transfiere del ATP a RuP, su estereoquímica se invierte. [12] Para permitir dicha inversión, el mecanismo catalítico de la PRK no debe involucrar un intermediario fosforilo-enzima . [12]
Algunos estudios sugieren que ambos sustratos (ATP y RuP) se unen simultáneamente a la PRK y forman un complejo ternario . Otros sugieren que la adición del sustrato es secuencial; el orden particular en el que se añaden los sustratos aún se discute y, de hecho, puede variar para diferentes organismos. [13] [14] Además de unirse a sus sustratos, la PRK también requiere la ligación a cationes metálicos divalentes como Mg 2+ o Mn 2+ para su actividad; se ha demostrado que el Hg 2+ inactiva la enzima. [3] [15]
La PRK muestra una alta especificidad para la ribulosa 5-fosfato. No actúa sobre ninguno de los siguientes sustratos: D-xilulosa 5-fosfato , fructosa 6-fosfato y sedoheptulosa 7-fosfato . [15] Sin embargo, en altas concentraciones , la PRK a veces puede fosforilar la ribosa 5-fosfato , un compuesto que se encuentra aguas arriba del paso de regeneración de RuBP en el ciclo de Calvin. [15] Además, se ha demostrado que la PRK aislada de Alcaligenes eutrophus utiliza trifosfato de uridina (UTP) y trifosfato de guanosina (GTP) como sustratos alternativos al ATP. [8] [3]
La reacción de fosforilación avanza con velocidad máxima a pH 7,9, sin actividad detectable a pH inferiores a 5,5 o superiores a 9,0. [15]
Los mecanismos por los cuales se regulan las PRK procariotas y eucariotas varían. Las PRK procariotas suelen estar sujetas a una regulación alostérica , mientras que las eucariotas suelen estar reguladas por un intercambio reversible de tiol / disulfuro . [16] Estas diferencias probablemente se deban a diferencias estructurales en sus dominios C-terminales [11]
Se sabe que el NADH estimula la actividad de la PRK, mientras que el AMP y el fosfoenolpiruvato (PEP) inhiben la actividad. [3] Se ha demostrado que el AMP está involucrado en la inhibición competitiva de la PRK de Thiobacillus ferrooxidans . [17] Por otro lado, el PEP actúa como un inhibidor no competitivo de la PRK. [18]
La PRK eucariota se regula típicamente a través de la oxidación/reducción reversible de sus grupos sulfhidrilo de cisteína , pero los estudios sugieren que su actividad puede ser regulada por otras proteínas o metabolitos en el cloroplasto . De dichos metabolitos, se ha demostrado que el 6-fosfogluconato es el inhibidor más eficaz de la PRK eucariota al competir con RuP por el sitio activo de la enzima. [19] Este fenómeno puede surgir de la similitud en la estructura molecular entre el 6-fosfogluconato y la RuP.
Trabajos más recientes sobre la regulación de la PRK eucariota se han centrado en su capacidad para formar complejos multienzimáticos con otras enzimas del ciclo de Calvin, como la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (G3PDH) o RuBisCo. [20] En Chlamydomonas reinhardtii , la PRK del cloroplasto y la G3PDH existen como un complejo bienzimático de 2 moléculas de PRK dimérica y 2 moléculas de G3PDH tetramérica mediante asociación mediante un residuo Arg 64, que potencialmente también puede transferir información entre las dos enzimas. [21]
Es probable que los complejos multienzimáticos tengan mecanismos reguladores más intrincados, y los estudios ya han investigado dichos procesos. Por ejemplo, se ha demostrado que los complejos PRK-gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa en Scenedesmus obliquus solo se disocian para liberar formas activadas de sus enzimas constituyentes en presencia de NADPH , ditiotreitol (DTT) y tiorredoxina . [22] Otro tema de interés ha sido comparar los niveles relativos de actividad de PRK cuando está complejada con cuando no lo está. Para diferentes eucariotas fotosintéticos, la actividad enzimática de la PRK complejada puede verse mejorada en comparación con la PRK libre, y viceversa. [23] [24]
El nombre sistemático de esta clase de enzimas es ATP:D-ribulosa-5-fosfato 1-fosfotransferasa. Otros nombres de uso común incluyen fosfopentoquinasa, ribulosa-5-fosfato quinasa, fosfopentoquinasa, fosforribuloquinasa (fosforilante), 5-fosforibulosa quinasa, ribulosa fosfato quinasa, PKK, PRuK y PRK.
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